中国の三峡ダムに陸生マイクロプラスチックが大量に埋もれている

Communications Earth & Environmental volume 4、記事番号: 32 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

水力発電ダムは、川から海へのマイクロプラスチックの輸送に影響を与えます。長江は海洋へのプラスチックの大量供給源となっている。今回我々は、2008年、2015年、2019年、2020年に三峡ダムの上流と下流で採取された堆積物サンプルの、さまざまなサイズ分率にわたるマイクロプラスチックの濃度と組成を報告する。マイクロプラスチックの存在量は時間の経過とともに徐々に増加していることがわかった。ダム貯水池の堆積物中に小さいサイズ（<300 μm）のマイクロプラスチックが優先的に保持される。小さなマイクロプラスチックは、確認されたマイクロプラスチックの約 44 ～ 90% を占め、主要なポリマータイプであるすべてのポリエチレン粒子の 82% を占めました。貯水池の堆積物中のプラスチック総質量負荷の推定によると、三峡ダムは堆積物中に年間 8048 ± 7494 トンものマイクロプラスチックを保持していることが示唆されており、これは長江マイクロプラスチックの海洋への流出量の 47 ± 44% に相当します。

私たちは現在、地球上にマイクロプラスチックが遍在する「プラスチックの時代」に住んでいます1、2、3、4、5。海洋環境は、マイクロプラスチックによる汚染が深刻であるため特に懸念されており6,7,8、世界の海洋へのプラスチック投入量は年間〜1,000万トンと推定されています8,9。陸域からの投入物は海洋マイクロプラスチックの主な発生源であり10、海洋への総プラスチック投入量の64～90%を占めています8、11、12。水力発電、治水、海運のために世界中で大規模なダムが建設され、その結果、自由に流れる世界の河川システムが断片化しています13、14。ダムの上流に形成される貯水池は、流速を減少させ、水力滞留時間を増加させ、年々増加する堆積物の量を捕捉し、その後汚染物質のフットプリントを変化させます15,16。ダム近くの貯水池表層水中のマイクロプラスチックの濃縮17は、海洋に流入するプラスチックごみと海洋で観察されるプラスチックごみとの間の質量不均衡に対するダム建設の影響を判定する緊急の必要性を裏付けている。堆積物に埋もれたマイクロプラスチックは、海洋および陸上環境における主要なプラスチックの吸収源となっている5、18、19。ダムは有機汚染物質 20、重金属 15、窒素、リン 21 の蓄積を悪化させることが知られています。しかし、堆積性マイクロプラスチックに対するダムの影響はほとんど知られていない。

現在までのところ、貯水池のマイクロプラスチック汚染に関する研究はほとんどありません19,22,23,24,25,26,27。淡水マイクロプラスチックに関する既存の出版物 183 件のうち、2021 年 8 月までに貯水池地域のマイクロプラスチック汚染を報告したのは 35 件のみでした 25,26。さらに、マイクロプラスチックのサイズとポリマーのカテゴリーは、これまでのほとんどの研究では十分に制約されていません。ダム遮断によるマイクロプラスチック負荷の評価には実質的な不確実性が存在し、地球規模のマイクロプラスチックの質量不均衡の説明は不十分である。これは、部分的には、小さなサイズのマイクロプラスチックの無視、サンプルサイズの小ささ、およびサイズとポリマーの種類間の緊密な統合の欠如によるものである可能性があります。以前の記録では、河川堆積物中に小さなサイズのマイクロプラスチック（ここでは<300μmと定義28、29、30、31）が優先的に蓄積することが報告されています28。このように、貯水池堆積物中のマイクロプラスチック蓄積量の増加は、ダムが大量の小型マイクロプラスチックを選択的に捕捉する可能性があることを示唆している。

長江は世界で 3 番目に大きな川であり、世界中で海洋マイクロプラスチックの最大の流入量です10。三峡ダム (TGD) は宜昌市の長江沿いに位置し、世界最大の水力発電プロジェクトです。三峡貯水池（TGR）の初期運転段階から安定運転段階までのマイクロプラスチック汚染データは非常に貴重であるが、まだ報告されていない。ここでは、さまざまな貯水段階でのマイクロプラスチックの蓄積優先性と再組織化パターンを決定するために、2008年、2015年、2019年、2020年に4回のサンプリングキャンペーンを実施しました（補足図1）。 2020 年 7 月から 8 月にかけて、5 つの洪水ピークを伴う流域全体の洪水が TGD から放流されました。洪水によるマイクロプラスチックの流出と再組織化を調査するために、2019 年と 2020 年のすべてのサイズとポリマーカテゴリにわたるマイクロプラスチック汚染を比較しました 12。その後、TGR 内のマイクロプラスチック全体の全体的な質量負荷を推定しました。これらの結果に基づいて、私たちの研究は、海洋へのマイクロプラスチックの流出を制御するダムの主要な役割について新たな洞察を提供します。 12 年間にわたる私たちのデータは、マイクロプラスチック調査にとって非常に重要です。

300 μm size fraction in the upstream were only 5.7-fold the concentrations of the downstream records. As such, the negligence of small-sized microplastics would result in the gross underestimation of microplastic contamination./p> 10−100 > 300−1000 > 1000−5000 μm (Fig. 2b). The small-sized fraction was the most predominant and represented 55.1–78.1% of the recovered plastic debris. The predominance of small-sized fractions across different water-storage stages suggests that the burial of microplastics in sediments is a size-selective process. Processes that enhance microplastic density, such as biofilm colonisation5,40,41,42, high-density material bonding (e.g. suspended sediments43, natural organic matter44 and extracellular polymeric substances45), and aggregate formation46, are more prone to occur on smaller particles with higher specific surface areas47,48,49, and appear to be one explanation for the preferential accumulation of small-sized microplastics in sediments. Compared to the marine environment, such processes may be more prevalent in freshwater systems due to the lower water density of ~1 g∙cm−3, which promotes the settling of microplastics from the water column50. Moreover, the decreased flow velocity and enhanced hydraulic retention time in reservoirs can enhance the homogeneous and heterogeneous aggregation of microplastics and facilitate their vertical transport5,32, especially for smaller microplastics48,51,52,53. After sinking, these small-sized microplastic aggregates may remain negatively buoyant and hidden beneath the surface water49, while larger plastic debris are at higher risks of breaking down into smaller pieces and regaining buoyancy to migrate upwards due to the non-uniformity of fouling54. As such, our understanding of the trigger mechanism of particle size on the downward transport of microplastics is far from robust and requires further investigation./p>300 μm size fraction than sediments in 2015−2020 (Fig. 2b). We attributed this apparent mismatch in the size distribution in 2008 to the remaining litter along the water-level fluctuation zone caused by population migration. During the stable operating stage after 2010, the different water-storage stages had not yet significantly modified the size distribution of microplastics. Notably, we observed no significant changes in their size distribution, even after the massive flooding event, which is also supported by the minimally altered size distribution by catchment-wide flooding in northwest England12. Our long-term assessment of microplastic contamination over a spatially extensive transect in the TGR highlighted the continuously predominant occurrence of small-sized microplastics./p>

The size of all the recovered polymer groups ranged from 16 to 5000 μm (Supplementary Table 1). Approximately 81.6% of PE, 5.9% of PP, 10.8% of cellulose and 0.4% of PET were <300 μm (Fig. 3a and Supplementary Fig. 3). This suggests that previous negligence of small-sized microplastic measurements has led to gross underestimations in the abundance of most littered PE. With respect to the small-sized fractions, PE (68.4−91.2%) had a higher contribution compared to cellulose (4.3−24.9%) and PP (3.0−12.3%) (Fig. 3b). The predominance of PE in small-sized fractions at all our sampled locations during different years suggests that the size-selective entrapment by the dam was closely associated with polymer type. This is understandable, as different polymers possess diverse surficial properties (e.g. hydrophobicity and surface topography)57 and exhibit varied binding abilities with biological and abiotic materials42,43. Moreover, different polymers and their adsorbed organic matter may provide varied carbon sources (e.g. the recalcitrant C of the plastic itself2 and microbial biomass. Sci. Adv. 4, eaas9024 (2018)." href="/articles/s43247-023-00701-z#ref-CR58" id="ref-link-section-d129151454e927"58,59 and the unstable C, such as plastic-derived dissolved organic matter by initial photodegradation and adsorbed additives59,60,61), and their corresponding biofilm growth can differ. For example, biofilm formed on the surface of different microplastics had distinctive features and led to various density changes in microplastics42. Thus, the negligence of small-sized microplastics introduces serious uncertainties in the estimations of both overall and polymer-specific abundance and risks. Due to the small sample size, previous studies have rarely conducted integrated analyses of polymer types and particle sizes28. The polymer compositions of most previous records were limited to the >300 μm microplastics (Supplementary Table 3) and are therefore not directly comparable with our study. Therefore, investigations based on large sample sizes across all sizes and polymer categories are necessary to more accurately assess the size-based and polymer-specific microplastic contamination./p>300 μm sieve67,68. Thus, all-sized investigations are essential to eliminate the uncertainty in microplastic contamination measurements./p>15 m or between 5−15 m and impounding more than 3 m3) are currently in operation, which fragment the free flow of global rivers69. Thus, the focus should be placed on the microplastic burdens of global-scale reservoirs. Moreover, dam constructions alleviate the oceanic burden of microplastics and provide a potential opportunity for future oceanic plastic remediation. Also, the transformation of reservoir dispatching methods could enhance the possibility of regulating the flux of microplastics to the sea. Our data also revealed the selective entrapment phenomenon of small-sized microplastics in the reservoir bed. The significance of investigating microplastic contamination across all sizes and polymer categories has been suggested previously1,8. Our observations further stress the importance of integrated analyses of polymer types and particle sizes based on large sample sizes. With respect to smaller microplastics of <10 μm or even <1 μm, significant knowledge gaps on their abundance, fate, and risks highlight the need for critical investigations in the future./p>